RU2684473C1 - Differential cascade on complementary field-effect transistors - Google Patents

Differential cascade on complementary field-effect transistors Download PDF

Info

Publication number
RU2684473C1
RU2684473C1 RU2018126846A RU2018126846A RU2684473C1 RU 2684473 C1 RU2684473 C1 RU 2684473C1 RU 2018126846 A RU2018126846 A RU 2018126846A RU 2018126846 A RU2018126846 A RU 2018126846A RU 2684473 C1 RU2684473 C1 RU 2684473C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
input field
effect transistor
field
input
source
Prior art date
Application number
RU2018126846A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анна Витальевна Бугакова
Николай Николаевич Прокопенко
Олег Владимирович Дворников
Петр Сергеевич Будяков
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Донской государственный технический университет" (ДГТУ)
Priority to RU2018126846A priority Critical patent/RU2684473C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2684473C1 publication Critical patent/RU2684473C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/34DC amplifiers in which all stages are DC-coupled
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/45Differential amplifiers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

FIELD: radio equipment.SUBSTANCE: invention relates to radio engineering and communication and can be used as analogue signal amplification device, in structure of analogue microchips of various functional purpose, for example, operational amplifiers (OA), comparators, bridge power amplifiers, etc., incl. operating at low temperatures and exposure to radiation. Selection of additional resistors provides preset statistical mode for current in all field-effect transistors, which allows excluding traditional sources of reference current from DA circuit, which negatively affect these parameters during their construction.EFFECT: technical result consists in creation of conditions, in which in the declared differential amplifier (DA) is provided, higher stability of static mode of the DA at negative temperatures and change of supply voltages, possibility of varying the throughput characteristic restriction voltage (U) at developer's discretion (depending on preset SR values) at fixed static current consumption.1 cl, 13 dwg

Description

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в качестве устройства усиления аналоговых сигналов, в структуре аналоговых микросхем различного функционального назначения, например, операционных усилителях (ОУ), компараторах, мостовых усилителях мощности и т.п., в т.ч. работающих при низких температурах и воздействии радиации [1].The invention relates to the field of radio engineering and communications and can be used as a device for amplifying analog signals in the structure of analog microcircuits for various functional purposes, for example, operational amplifiers (op amps), comparators, bridge power amplifiers, etc., incl. operating at low temperatures and exposure to radiation [1].

Известны схемы классических дифференциальных усилителей (ДУ) на комплементарных транзисторах [2-28], в т.ч. на комплементарных КМОП полевых транзисторах [3-28] и комплементарных полевых транзисторах с управляющим p-n переходом (JFet) [2], которые стали основой многих серийных аналоговых микросхем. В литературе по аналоговой микроэлектронике этот класс ДК имеет специальное обозначение – dual-input-stage [29].Known circuits of classical differential amplifiers (ДУ) on complementary transistors [2-28], including on complementary CMOS field-effect transistors [3-28] and complementary field-effect transistors with a pn junction control (JFet) [2], which became the basis of many serial analog microcircuits. In the literature on analog microelectronics, this class of DC has a special designation - dual-input-stage [29].

Для работы при низких температурах при жестких ограничениях на уровень шумов перспективно использование JFet полевых транзисторов [30-32]. ДК данного класса активно применяются в структуре малошумящих аналоговых интерфейсов для обработки сигналов датчиков [33-35]. For operation at low temperatures with severe restrictions on the level of noise, the use of JFet field-effect transistors is promising [30-32]. DCs of this class are actively used in the structure of low-noise analog interfaces for processing sensor signals [33-35].

Ближайшим прототипом (фиг. 1) заявляемого устройства является дифференциальный каскад, описанный в патенте US 5.291.149, fig.4, 1994г., который содержит первый 1 вход, соединенный с затвором первого 2 входного полевого транзистора, второй 3 вход, соединенный с затвором второго 4 входного полевого транзистора, первый 5 токовый выход, соединенный со стоком первого 2 входного полевого транзистора и согласованный с первой 6 шиной источника питания, второй 7 токовый выход, соединенный со стоком второго 4 входного полевого транзистора и согласованный с первой 6 шиной источника питания, третий 8 входной полевой транзистор, сток которого соединен с третьим 9 токовым выходом и согласован со второй 10 шиной источника питания, четвертый 11 входной полевой транзистор, сток которого соединен с четвертым 12 токовым выходом и согласован со второй 10 шиной источника питания, причем каналы первого 2 и второго 4 входных полевых транзисторов имеют первый тип проводимости, а каналы третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов имеют другой тип проводимости. The closest prototype (Fig. 1) of the claimed device is a differential cascade described in US patent 5.291.149, fig.4, 1994, which contains the first 1 input connected to the gate of the first 2 input field-effect transistor, the second 3 input connected to the gate the second 4 input field-effect transistor, the first 5 current output connected to the drain of the first 2 input field-effect transistor and matched to the first 6 bus of the power supply, the second 7 current output connected to the drain of the second 4 input field-effect transistor and matched to the first 6 power supply bus, third 8 input field-effect transistor, the drain of which is connected to the third 9 current output and matched with the second 10 bus of the power source, the fourth 11 input field-effect transistor, the drain of which is connected to the fourth 12 current output and matched with the second 10 bus of the power source, moreover, the channels of the first 2 and second 4 input field effect transistors have a first type of conductivity, and the channels of the third 8 and fourth 11 input field effect transistors have a different type of conductivity.

Первый существенный недостаток известного ДК фиг. 1 состоит в том, что статический режим его входных транзисторов определяется двумя источниками опорного тока I1 (I2), которые, как правило, неидентичны. Это становится источником дополнительных погрешностей при усилении малых сигналов. Во-вторых, в известном ДК при фиксированном токе потребления затруднено изменение напряжения ограничения Uгр проходной характеристики iвых=f(uвх), которое оказывает существенное влияние на максимальную скорость нарастания выходного напряжения (SR) операционного усилителя с входным ДК фиг. 1 [36, 37]The first significant drawback of the known DC of FIG. 1 consists in the fact that the static mode of its input transistors is determined by two sources of the reference current I 1 (I 2 ), which, as a rule, are not identical. This becomes a source of additional errors when amplifying small signals. Secondly, in the known DC with a fixed current consumption, it is difficult to change the limiting voltage U gr of the pass-through characteristic i o = f (u in ), which has a significant effect on the maximum slew rate of the output voltage (SR) of the operational amplifier with the input DC of FIG. 1 [36, 37]

Figure 00000001
, (1)
Figure 00000001
, (one)

где f1 – частота единичного усиления скорректированного ОУ с входным ДУ фиг. 1, как правило, слабо зависящая от Uгр.where f 1 is the frequency of unity gain of the adjusted op-amp with the input remote control of FIG. 1, as a rule, slightly dependent on U gr .

Это не позволяет управлять численными значениями SR в конкретных схемах ОУ при заданных ограничениях на токопотребление, запас устойчивости по фазе, коэффициент усиления по напряжению и т.п.This does not allow controlling the numerical values of SR in specific op amp circuits under given restrictions on current consumption, phase stability margin, voltage gain, etc.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в создании условий, при которых в ДУ фиг. 1 обеспечивается:The main objective of the alleged invention is to create conditions under which in the remote control of FIG. 1 is provided:

- более высокая стабильность статического режима ДУ при отрицательных температурах (до -197̊С) и изменении напряжений питания (в сравнении с ДУ фиг. 1 на основе классических источников опорного тока I1, I2);- higher stability of the static mode of the remote control at negative temperatures (up to -197 ° C) and changes in supply voltages (in comparison with the remote control of Fig. 1 based on classical sources of the reference current I 1 , I 2 );

- возможность изменения напряжения ограничения проходной характеристики (Uгр) по усмотрению разработчика (в зависимости от заданных значений SR) при фиксированном статическом токопотреблении.- the ability to change the voltage limiting flow characteristics (U gr ) at the discretion of the developer (depending on the set values of SR) with a fixed static current consumption.

Поставленная задача решается тем, что в дифференциальном каскаде фиг. 1, содержащем первый 1 вход, соединенный с затвором первого 2 входного полевого транзистора, второй 3 вход, соединенный с затвором второго 4 входного полевого транзистора, первый 5 токовый выход, соединенный со стоком первого 2 входного полевого транзистора и согласованный с первой 6 шиной источника питания, второй 7 токовый выход, соединенный со стоком второго 4 входного полевого транзистора и согласованный с первой 6 шиной источника питания, третий 8 входной полевой транзистор, сток которого соединен с третьим 9 токовым выходом и согласован со второй 10 шиной источника питания, четвертый 11 входной полевой транзистор, сток которого соединен с четвертым 12 токовым выходом и согласован со второй 10 шиной источника питания, причем каналы первого 2 и второго 4 входных полевых транзисторов имеют первый тип проводимости, а каналы третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов имеют другой тип проводимости, предусмотрены новые элементы и связи – между истоками третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов включен первый 13 дополнительный резистор, между истоком третьего 8 входного полевого транзистора и истоком первого 2 входного полевого транзистора включен второй 14 дополнительный резистор, между истоком четвертого 11 входного полевого транзистора и истоком второго 4 входного полевого транзистора включен третий 15 дополнительный резистор, причем исток первого 2 входного полевого транзистора соединен с затвором четвертого 11 входного полевого транзистора, а исток второго 4 входного полевого транзистора соединен с затвором третьего 8 входного полевого транзистора.The problem is solved in that in the differential cascade of FIG. 1, containing the first 1 input connected to the gate of the first 2 input field-effect transistor, the second 3 input connected to the gate of the second 4 input field-effect transistor, the first 5 current output connected to the drain of the first 2 input field-effect transistor and matched with the first 6 bus of the power supply , the second 7 current output connected to the drain of the second 4 input field-effect transistor and matched with the first 6 bus of the power supply, the third 8 input field-effect transistor, the drain of which is connected to the third 9 current output and matched with the second 10 bus power supply, the fourth 11 input field-effect transistor, the drain of which is connected to the fourth 12 current output and matched with the second 10 bus power supply, the channels of the first 2 and second 4 input field-effect transistors have the first type of conductivity, and the channels of the third 8 and fourth 11 input field-effect transistors have a different type of conductivity, new elements and connections are provided - between the sources of the third 8 and fourth 11 input field-effect transistors, the first 13 additional resistor is connected, between the source of the third 8 the input field-effect transistor and the source of the first 2 input field-effect transistor includes a second 14 additional resistor, between the source of the fourth 11 input field-effect transistor and the source of the second 4 input field-effect transistor the third 15 additional resistor is connected, and the source of the first 2 input field-effect transistor is connected to the gate of the fourth 11 input field-effect transistor transistor, and the source of the second 4 input field-effect transistor is connected to the gate of the third 8 input field-effect transistor.

На чертеже фиг. 1 представлена схема ДК-прототипа, а на чертеже фиг. 2 – схема заявляемого дифференциального каскада на комплементарных полевых транзисторах CJFET (ОАО «Интеграл», г. Минск) в соответствии с п.1 формулы изобретения.In the drawing of FIG. 1 shows a diagram of a DC prototype, and in the drawing of FIG. 2 is a diagram of the claimed differential cascade on complementary field-effect transistors CJFET (OJSC Integral, Minsk) in accordance with claim 1.

На чертеже фиг. 3 показан статический режим ДК фиг. 2 при t=27ᵒC в среде LTSpice на моделях CJFet транзисторов ОАО «Интеграл» (г. Минск).In the drawing of FIG. 3 shows the static mode of the DC of FIG. 2 at t = 27ᵒC in LTSpice environment on CJFet models of transistors of Integral OJSC (Minsk).

На чертеже фиг. 4 представлен статический режим ДК фиг. 2 при
t=-197ᵒC в среде LTSpice на моделях CJFet транзисторов ОАО «Интеграл» (г. Минск).
In the drawing of FIG. 4 shows the static mode of the DC of FIG. 2 at
t = -197ᵒC in LTSpice environment on CJFet models of transistors of Integral OJSC (Minsk).

На чертеже фиг. 5 приведены проходные характеристики ДК фиг. 3 при температуре 27ᵒС и разных сопротивлениях резистора R3*=10/100/1к/100к/1МОм для токовых выходов Iout1, Iout2, Iout3, Iout4 при входном напряжении V3=Vin, изменяющимся в пределах -5÷5В.In the drawing of FIG. 5 shows the flow characteristics of the DC of FIG. 3 at a temperature of 27 ° C and different resistor resistances R3 * = 10/100 / 1k / 100k / 1MOhm for current outputs I out1 , I out2 , I out3 , I out4 with an input voltage V3 = V in , varying within -5 ÷ 5V.

На чертеже фиг. 6 показаны проходные характеристики ДК фиг. 3 при температуре -197ᵒС и разных сопротивлениях резистора R3*=10/100/1к/100к/1МОм для токовых выходов Iout1, Iout2, Iout3, Iout4 при входном напряжении V3=Vin, изменяющимся в пределах -5÷5В.In the drawing of FIG. 6 shows the flow characteristics of the DC of FIG. 3 at a temperature of -197ᵒС and different resistances of the resistor R3 * = 10/100 / 1k / 100k / 1MOhm for current outputs I out1 , I out2 , I out3 , I out4 with an input voltage V3 = V in , varying within -5 ÷ 5V .

На чертеже фиг. 7 представлена крутизна проходной характеристики Gm для токовых выходов в цепи стока полевых транзисторов J1, J2, J3, J4 ДК рис. 2 при разных температурах t= -197/-150/-125/-100/-75/-50/-30/0/27/30°С.In the drawing of FIG. Figure 7 shows the slope of the pass-through characteristic Gm for current outputs in the drain circuit of field-effect transistors J1, J2, J3, J4 DC fig. 2 at different temperatures t = -197 / -150 / -125 / -100 / -75 / -50 / -30 / 0/27/30 ° С.

На чертеже фиг. 8 приведена схема заявляемого дифференциального каскада на комплементарных полевых транзисторах в соответствии с п. 2 формулы изобретения.In the drawing of FIG. 8 shows a diagram of the inventive differential cascade on complementary field effect transistors in accordance with paragraph 2 of the claims.

На чертеже фиг. 9 показан статический режим ДК фиг. 8 при t=27ᵒC в среде LTSpice на моделях CJFet транзисторов ОАО «Интеграл» (г. Минск) при сопротивлении резистора R20>>R13 (фиг. 8).In the drawing of FIG. 9 shows the static mode of the DC of FIG. 8 at t = 27ᵒC in LTSpice medium on CJFet models of transistors of Integral OJSC (Minsk) with resistor R20 >> R13 (Fig. 8).

На чертеже фиг. 10 представлен статический режим ДК фиг. 8 при t=-197ᵒC в среде LTSpice на моделях CJFet транзисторов ОАО «Интеграл» (г. Минск) при сопротивлении резистора R20>>R13 (фиг. 8).In the drawing of FIG. 10 shows the static mode of the DC of FIG. 8 at t = -197ᵒC in the LTSpice environment on CJFet models of transistors of Integral OJSC (Minsk) with the resistor R20 >> R13 (Fig. 8).

На чертеже фиг. 11 приведены проходные характеристики ДК фиг. 9 при температуре 27ᵒС и разных сопротивлениях резистора R3*=100/1к/100к/1МОм для токовых выходов Iout1, Iout2, Iout3, Iout4 при входном напряжении V3=Vin, изменяющимся в пределах -5÷5В и сопротивлении резистора R20>>R13 (фиг. 8).In the drawing of FIG. 11 shows the flow characteristics of the DC of FIG. 9 at a temperature of 27 ° C and different resistor resistances R3 * = 100 / 1k / 100k / 1Mohm for current outputs I out1 , I out2 , I out3 , I out4 with an input voltage V3 = V in , varying within -5 ÷ 5V and the resistance of the resistor R20 >> R13 (Fig. 8).

На чертеже фиг. 12 показаны проходные характеристики ДК фиг. 8 при температуре -197ᵒС и разных сопротивлениях резистора R3*=100/1к/100к/1МОм для токовых выходов Iout1, Iout2, Iout3, Iout4 при входном напряжении V3=Vin, изменяющимся в пределах -5÷5В и сопротивлении резистора R20>>R13 (фиг. 8)In the drawing of FIG. 12 shows the flow characteristics of the DC of FIG. 8 at a temperature of -197ᵒС and different resistances of the resistor R3 * = 100 / 1k / 100k / 1MOhm for current outputs I out1 , I out2 , I out3 , I out4 with an input voltage V3 = V in , varying within -5 ÷ 5V and resistance resistor R20 >> R13 (Fig. 8)

На чертеже фиг. 13 представлена крутизна проходной характеристики Gm для токовых выходов в цепи стока полевых транзисторов J1, J2 и J3, J4 ДК фиг. 9 при разных температурах t= -197/-150/-125/-100/-75/-50/-30/0/27/30°С.In the drawing of FIG. 13 shows the slope of the passage characteristic Gm for current outputs in the drain circuit of field effect transistors J1, J2 and J3, J4 of the DC of FIG. 9 at different temperatures t = -197 / -150 / -125 / -100 / -75 / -50 / -30 / 0/27/30 ° С.

Дифференциальный каскад на комплементарных полевых транзисторах фиг. 2 содержит первый 1 вход, соединенный с затвором первого 2 входного полевого транзистора, второй 3 вход, соединенный с затвором второго 4 входного полевого транзистора, первый 5 токовый выход, соединенный со стоком первого 2 входного полевого транзистора и согласованный с первой 6 шиной источника питания, второй 7 токовый выход, соединенный со стоком второго 4 входного полевого транзистора и согласованный с первой 6 шиной источника питания, третий 8 входной полевой транзистор, сток которого соединен с третьим 9 токовым выходом и согласован со второй 10 шиной источника питания, четвертый 11 входной полевой транзистор, сток которого соединен с четвертым 12 токовым выходом и согласован со второй 10 шиной источника питания, причем каналы первого 2 и второго 4 входных полевых транзисторов имеют первый тип проводимости, а каналы третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов имеют другой тип проводимости. Между истоками третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов включен первый 13 дополнительный резистор, между истоком третьего 8 входного полевого транзистора и истоком первого 2 входного полевого транзистора включен второй 14 дополнительный резистор, между истоком четвертого 11 входного полевого транзистора и истоком второго 4 входного полевого транзистора включен третий 15 дополнительный резистор, причем исток первого 2 входного полевого транзистора соединен с затвором четвертого 11 входного полевого транзистора, а исток второго 4 входного полевого транзистора соединен с затвором третьего 8 входного полевого транзистора.The differential cascade on the complementary field effect transistors of FIG. 2 contains a first 1 input connected to a gate of a first 2 input field-effect transistor, a second 3 input connected to a gate of a second 4 input field-effect transistor, a first 5 current output connected to a drain of a first 2 input field-effect transistor and matched with a first 6 power supply bus, the second 7 current output connected to the drain of the second 4 input field-effect transistor and matched with the first 6 bus of the power supply, the third 8 input field-effect transistor, the drain of which is connected to the third 9 current output and matched with w a second 10 bus power supply, the fourth 11 input field-effect transistor, the drain of which is connected to the fourth 12 current output and matched with the second 10 bus power supply, the channels of the first 2 and second 4 input field-effect transistors have the first type of conductivity, and the channels of the third 8 and fourth 11 input field effect transistors have a different type of conductivity. Between the sources of the third 8 and fourth 11 input field-effect transistors, the first 13 additional resistor is connected, between the source of the third 8 input field-effect transistor and the source of the first 2 input field-effect transistor, the second 14 additional resistor is connected, between the source of the fourth 11 input field-effect transistor and the source of the second 4 input field-effect transistor the third 15 additional resistor is turned on, the source of the first 2 input field-effect transistor connected to the gate of the fourth 11 input field-effect transistor, and the source of the second about 4 input field-effect transistor is connected to the gate of the third 8 input field-effect transistor.

На чертеже фиг. 2 в качестве элементов нагрузки первого 5, второго 7, третьего 9 и четвертого 12 токовых выходов ДК показаны соответствующие двухполюсники 16, 17, 18, 19. В частном случае, например, в операционном усилителе на основе заявляемого ДК, это могут быть входные сопротивления классических токовых зеркал.In the drawing of FIG. 2, the corresponding bipolar terminals 16, 17, 18, 19 are shown as load elements of the first 5, second 7, third 9, and fourth 12 current outputs of the DC. In a particular case, for example, in an operational amplifier based on the claimed DC, these can be input resistances of classical current mirrors.

На чертеже фиг. 8, в соответствии с п. 2 формулы изобретения, между затворами третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов включен четвертый 20 дополнительный резистор.In the drawing of FIG. 8, in accordance with paragraph 2 of the claims, a fourth 20 additional resistor is connected between the gates of the third 8 and fourth 11 input field-effect transistors.

Рассмотрим работу ДУ фиг. 2.Consider the operation of the remote control of FIG. 2.

В статическом режиме, например, при подключении первого 1 и второго 3 входов ДК фиг. 2 к общей шине источников питания (6 и 10), первый 13 дополнительный резистор не влияет на статические токи истока всех полевых транзисторов схемы из-за ее симметрии. При этомIn static mode, for example, when connecting the first 1 and second 3 inputs of the DC of FIG. 2 to the common bus of power supplies (6 and 10), the first 13 additional resistor does not affect the static currents of the source of all field-effect transistors of the circuit due to its symmetry. Wherein

Figure 00000002
, (2)
Figure 00000002
, (2)

Figure 00000003
, (3)
Figure 00000003
, (3)

Figure 00000004
, (4)
Figure 00000004
, (four)

Figure 00000005
, (5)
Figure 00000005
, (5)

где Iиi – ток стока i-го полевого транзистора;where I and i - drain current of the i-th field-effect transistor;

Uзи.8, Uзи.11 – напряжение затвор-исток соответствующих третьего 8 и четвертого 11 входных полевых транзисторов в рабочей точке при токе истока, равном I0;U zi.8 , U zi.11 - gate-source voltage of the corresponding third 8 and fourth 11 input field-effect transistors at the operating point with a source current equal to I 0 ;

UR14=UR15 – падение напряжения на втором 14 и третьем 15 дополнительных резисторах от тока I0.U R14 = U R15 - voltage drop at the second 14 and third 15 additional resistors from the current I 0 .

Таким образом, за счет выбора второго 14 и третьего 15 дополнительных резисторов обеспечивается идентичный заданный статический режим по току всех полевых транзисторов 2, 4, 8, 11 ДК фиг. 2:Thus, by selecting the second 14 and third 15 additional resistors, an identical predetermined static current mode of all field effect transistors 2, 4, 8, 11 of the DC of FIG. 2:

Figure 00000006
. (6)
Figure 00000006
. (6)

Следует заметить, что статический режим ДК фиг. 2 практически не зависит от величины входного синфазного сигнала и изменений напряжений питания на первой 6 и второй 10 шинах. Это позволяет исключить из схемы ДК фиг. 2 традиционные источники опорного тока (I1, I2, фиг. 1), отрицательно влияющие на данные параметры при их простейшем построении. It should be noted that the static mode of the DC of FIG. 2 practically does not depend on the value of the input common-mode signal and changes in the supply voltages on the first 6 and second 10 buses. This makes it possible to exclude from the circuit DC of FIG. 2 traditional sources of the reference current (I 1 , I 2 , Fig. 1), negatively affecting these parameters during their simplest construction.

Если на вход 1 подается положительное входное напряжение uвх относительно входа 3, то это вызывает увеличение тока через первый дополнительный резистор и уменьшение тока истока второго 4 и четвертого 11 входных полевых транзисторов. В пределе ток истока первого 2 входного полевого транзистора может принимать удвоенное значение относительно своего статического уровня при uвх=0. Численные значения сопротивлений второго 14 и третьего 15 дополнительных резисторов определяют напряжение ограничения проходной характеристики ДК фиг. 2: чем больше сопротивления дополнительных резисторов R14=R15, тем при большем входном напряжении uвх=Uгр произойдет ограничение выходного тока ДК для первого 5 токового выхода. Об этом свидетельствуют графики фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, полученные для схемы фиг. 2.If the input terminal 1 is supplied a positive input voltage with respect to input u Rin 3, this causes an increase in current through the first resistor and a further decrease of the current source 4 and the second input 11 of the fourth field-effect transistors. In the limit, the source current of the first 2 input field-effect transistor can take a double value relative to its static level at u in = 0. The numerical values of the resistances of the second 14 and third 15 additional resistors determine the voltage limiting the pass-through characteristic of the DC of FIG. 2: the greater the resistance of the additional resistors R14 = R15, the higher the input voltage u in = U g , the output current of the DC will be limited for the first 5 current output. The graphs of FIG. 4, FIG. 5, FIG. 6 obtained for the circuit of FIG. 2.

Аналогичным образом на напряжение ограничения Uгр ДК фиг. 8 влияет четвертый 20 дополнительный резистор. Чем меньше его сопротивление, тем при меньших значениях входного напряжения uвх=Uгр произойдет ограничение выходного тока ДК фиг. 8 для первого 5 токового выхода (фиг. 11, фиг. 12), а также других токовых выходов (7, 9, 12).Similarly, to the voltage limiting U gr DC of FIG. 8 affects the fourth 20 additional resistor. The lower its resistance, the lower the input voltage u in = U g the output current limitation of the DC of FIG. 8 for the first 5 current output (Fig. 11, Fig. 12), as well as other current outputs (7, 9, 12).

Таким образом, первый 13 и четвертый 20 дополнительные резисторы определяют численные значения напряжения ограничения Uгр предлагаемого дифференциального усилителя для всех его токовых выходов 5, 7, 9, 12.Thus, the first 13 and fourth 20 additional resistors determine the numerical values of the voltage limiting U g of the proposed differential amplifier for all its current outputs 5, 7, 9, 12.

Графики, представленные на чертежах фиг. 5, фиг. 6, фиг. 11, фиг. 12, снятые при разных температурах и численных значениях сопротивлений первого 13 и четвертого 20 дополнительных резисторов подтверждают сделанные выше качественные выводы.The graphs shown in the drawings of FIG. 5, FIG. 6, FIG. 11, FIG. 12, taken at different temperatures and numerical values of the resistances of the first 13 and fourth 20 additional resistors confirm the above qualitative conclusions.

Результаты компьютерного моделирования в среде LTspice схем ДК фиг. 3 и фиг. 8 показывают, что на основе предлагаемого ДК реализуется широкий спектр проходных характеристик с разными численными значениями напряжения ограничения Uгр для первого 5 и второго 7 токовых выходов, согласованных с первой 6 шиной источника питания, и третьего 9 и четвертого 12 токовых выходов, согласованных со второй 10 шиной источника питания. В итоге, это позволяет проектировать дифференциальные и мультидифференциальные операционные усилители с заданным (см. формулу (1)) быстродействием.The results of computer simulation in the LTspice environment of DC circuits of FIG. 3 and FIG. 8 show that, based on the proposed DC, a wide range of pass-through characteristics is realized with different numerical values of the limiting voltage U gr for the first 5 and second 7 current outputs matched with the first 6 bus of the power supply, and the third 9 and fourth 12 current outputs matched with the second 10 bus power supply. As a result, this allows us to design differential and multidifferential operational amplifiers with a given speed (see formula (1)).

Графики фиг. 7 и фиг. 13 характеризуют температурную зависимость крутизны проходной характеристики ДК фиг. 3 и ДК фиг. 8, определяющей дифференциальный коэффициент усиления по напряжению в практических схемах ОУ на основе предлагаемых ДК.The graphs of FIG. 7 and FIG. 13 characterize the temperature dependence of the slope of the flow characteristic of the DC of FIG. 3 and DK of FIG. 8, which determines the differential voltage gain in practical op-amp circuits based on the proposed DCs.

Таким образом, заявляемое устройство имеет существенные преимущества в сравнении с известными схемотехническими решениями ДК класса dual-input-stage [2-28], что позволяет рекомендовать его для практического использования в различных ОУ и построения низкотемпературных и радиационно-стойких аналоговых микросхем по техпроцессу CJFet ОАО «Интеграл» (г. Минск), а также комплементарному полевому технологическому процессу АО «НПП «Пульсар» (г. Москва).Thus, the claimed device has significant advantages in comparison with the well-known circuitry solutions of a dual-input-stage class DC [2-28], which allows us to recommend it for practical use in various op-amps and construction of low-temperature and radiation-resistant analog microcircuits using the CJFet OJSC technological process Integral (Minsk), as well as a complementary field technological process of NPP Pulsar JSC (Moscow).

Библиографический списокBibliographic list

1. O. V. Dvornikov, V. L. Dziatlau, N. N. Prokopenko, K. O. Petrosiants, N. V. Kozhukhov and V. A. Tchekhovski, "The accounting of the simultaneous exposure of the low temperatures and the penetrating radiation at the circuit simulation of the BiJFET analog interfaces of the sensors," 2017 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Astana, 2017, pp. 1-6. DOI: 10.1109/SIBCON.2017.79985071. OV Dvornikov, VL Dziatlau, NN Prokopenko, KO Petrosiants, NV Kozhukhov and VA Tchekhovski, "The accounting of the simultaneous exposure of the low temperatures and the penetrating radiation at the circuit simulation of the BiJFET analog interfaces of the sensors," 2017 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Astana, 2017, pp. 1-6. DOI: 10.1109 / SIBCON.2017.7998507

2. Патент US 5.291.149 fig. 4, 1994 г.2. Patent US 5.291.149 fig. 4, 1994

1. Патент US 4.377.789, fig. 1, 1983 г.1. Patent US 4.377.789, fig. 1, 1983

2. Патентная заявка US 2006/0125522, 2006 г.2. Patent application US 2006/0125522, 2006

3. Патент US 7.907.011, 20113. Patent US 7.907.011, 2011

4. US 2008/0024217, fig. 1, 2008 г.4. US 2008/0024217, fig. 1, 2008

5. Патент EP 0318263,1989 г.5. Patent EP 0318263.1989.

6. Патент US 5.907.259, fig. 1, 1999 г.6. US patent 5.907.259, fig. 1, 1999

7. Патент US 7.408.410, 2008 г.7. Patent US 7.408.410, 2008

8. Патент US 6.628.168, fig.2, 2003 г.8. Patent US 6.628.168, fig.2, 2003.

9. Патентная заявка US 2009/0302895, 2009 г. 9. Patent application US 2009/0302895, 2009

10. Патент US 5.714.906, fig. 4, 1998 г. 10. US Pat. No. 5,714,906, fig. 4, 1998

11. Патент US 2005/0285677, 2005 г. 11. Patent US 2005/0285677, 2005.

12. Патент US 5.070.306, fig. 3, 1991 г. 12. US Pat. No. 5,070.306, fig. 3, 1991

13. Патент US 2010/001797, 2010 г. 13. Patent US 2010/001797, 2010

14. Патент US 6.972.623, fig. 4, fig. 6, 2005 г. 14. Patent US 6.972.623, fig. 4, fig. 6, 2005

15. Патент US 2008/0252374, 2008 г. 15. Patent US 2008/0252374, 2008

16. Патент US 7.586.373, 2009 г. 16. Patent US 7.586.373, 2009

17. Патент US 2006/0215787, 2006 г. 17. Patent US 2006/0215787, 2006.

18. Патент US 7.453.319, 2008 г. 18. Patent US 7.453.319, 2008

19. Патент US 2004/0174216, fig. 2, 2004 г. 19. Patent US 2004/0174216, fig. 2, 2004

20. Патент US 7.215.200, fig. 6, 2007 г. 20. Patent US 7.215.200, fig. 6, 2007

21. Патент US № 6.433.637, fig. 2, 2002 г.21. US patent No. 6.433.637, fig. 2, 2002

22. Патент US № 6.392.485, 2002 г. 22. US patent No. 6.392.485, 2002

23. Патент US 5.963.085, fig. 3, 1999 г. 23. Patent US 5.963.085, fig. 3, 1999

24. Патент US 6.788.143, 2004 г. 24. Patent US 6.788.143, 2004.

25. Патент US 4.390.850, 1983 г. 25. US patent 4.390.850, 1983.

26. Патент US 6.696.894, fig. 1, 2004 г. 26. US patent 6.696.894, fig. 1, 2004

29. N. N. Prokopenko, N. V. Butyrlagin, A. V. Bugakova and A. A. Ignashin, "Method for speeding the micropower CMOS operational amplifiers with dual-input-stages," 2017 24th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS), Batumi, 2017, pp. 78-81.29. NN Prokopenko, NV Butyrlagin, AV Bugakova and A. A. Ignashin, "Method for speeding the micropower CMOS operational amplifiers with dual-input-stages," 2017 24th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS), Batumi , 2017, pp. 78-81.

30. K. O. Petrosyants, M. R. Ismail-zade, L. M. Sambursky, O. V. Dvornikov, B. G. Lvov and I. A. Kharitonov, "Automation of parameter extraction procedure for Si JFET SPICE model in the −200…+110°C temperature range," 2018 Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT), Moscow, 2018, pp. 1-5. DOI: 10.1109/MWENT.2018.833721230. KO Petrosyants, MR Ismailzade, LM Sambursky, OV Dvornikov, BG Lvov and IA Kharitonov, "Automation of parameter extraction procedure for Si JFET SPICE model in the −200 ... + 110 ° C temperature range," 2018 Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT), Moscow, 2018, pp. 1-5. DOI: 10.1109 / MWENT.2018.8337212

31. Создание низкотемпературных аналоговых ИС для обработки импульсных сигналов датчиков. Часть 2 / О. Дворников, В. Чеховский, В. Дятлов, Н. Прокопенко // Современная электроника, 2015, № 5. С. 24-2831. Creating low-temperature analog ICs for processing pulse signals from sensors. Part 2 / O. Dvornikov, V. Chekhovsky, V. Dyatlov, N. Prokopenko // Modern Electronics, 2015, No. 5. P. 24-28

32. O. V. Dvornikov, N. N. Prokopenko, N. V. Butyrlagin and I. V. Pakhomov, "The differential and differential difference operational amplifiers of sensor systems based on bipolar-field technological process AGAMC," 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Moscow, 2016, pp. 1-6. DOI: 10.1109/SIBCON.2016.749179232. OV Dvornikov, NN Prokopenko, NV Butyrlagin and IV Pakhomov, "The differential and differential difference operational amplifiers of sensor systems based on bipolar-field technological process AGAMC," 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Moscow, 2016 , pp. 1-6. DOI: 10.1109 / SIBCON.2016.7491792

33. Дворников О.В., Чеховский В.А., Дятлов В.Л., Прокопенко Н.Н. "Малошумящий электронный модуль обработки сигналов лавинных фотодиодов" Приборы и методы измерений, no. 2 (7), 2013, pp. 42-46. 33. Dvornikov O.V., Chekhovsky V.A., Dyatlov V.L., Prokopenko N.N. "Low-noise electronic signal processing module for avalanche photodiodes" Instruments and methods of measurement, no. 2 (7), 2013, pp. 42-46.

34. Дворников О. Чеховский В., Дятлов В., Прокопенко Н. Применение структурных кристаллов для создания интерфейсов датчиков //Современная электроника. – 2014. – №. 1. – С. 32-37.34. Dvornikov O. Chekhovsky V., Dyatlov V., Prokopenko N. Application of structural crystals to create sensor interfaces // Modern Electronics. - 2014. - No. 1. - S. 32-37.

35. O. V. Dvornikov, A. V. Bugakova, N. N. Prokopenko, V. L. Dziatlau and I. V. Pakhomov, "The microcircuits MH2XA010-02/03 for signal processing of optoelectronic sensors," 2017 18th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), Erlagol, 2017, pp. 396-402. DOI: 10.1109/EDM.2017.798178135. OV Dvornikov, AV Bugakova, NN Prokopenko, VL Dziatlau and IV Pakhomov, "The microcircuits MH2XA010-02 / 03 for signal processing of optoelectronic sensors," 2017 18th International Conference of Young Specialists on Micro / Nanotechnologies and Electron Devices (EDM) , Erlagol, 2017, pp. 396-402. DOI: 10.1109 / EDM.2017.7981781

36. Прокопенко Н.Н. Нелинейная активная коррекция в прецизионных аналоговых микросхемах (монография) // Ростов-на-Дону: Изд-во Северо-Кавказского научного центра высшей школы, 2000. 222с. 36. Prokopenko N.N. Nonlinear active correction in precision analog microcircuits (monograph) // Rostov-on-Don: Publishing House of the North Caucasus Scientific Center of Higher Education, 2000. 222 p.

37. Операционные усилители с непосредственной связью каскадов: монография / Анисимов В.И., Капитонов М.В., Прокопенко Н.Н., Соколов Ю.М. - Л.: «Энергия», 1979. - 148 с.37. Operational amplifiers with a direct connection of cascades: monograph / Anisimov VI, Kapitonov MV, Prokopenko NN, Sokolov Yu.M. - L.: “Energy”, 1979. - 148 p.

Claims (2)

1. Дифференциальный каскад на комплементарных полевых транзисторах, содержащий первый (1) вход, соединенный с затвором первого (2) входного полевого транзистора, второй (3) вход, соединенный с затвором второго (4) входного полевого транзистора, первый (5) токовый выход, соединенный со стоком первого (2) входного полевого транзистора и согласованный с первой (6) шиной источника питания, второй (7) токовый выход, соединенный со стоком второго (4) входного полевого транзистора и согласованный с первой (6) шиной источника питания, третий (8) входной полевой транзистор, сток которого соединен с третьим (9) токовым выходом и согласован со второй (10) шиной источника питания, четвертый (11) входной полевой транзистор, сток которого соединен с четвертым (12) токовым выходом и согласован со второй (10) шиной источника питания, причем каналы первого (2) и второго (4) входных полевых транзисторов имеют первый тип проводимости, а каналы третьего (8) и четвертого (11) входных полевых транзисторов имеют другой тип проводимости, отличающийся тем, что между истоками третьего (8) и четвертого (11) входных полевых транзисторов включен первый (13) дополнительный резистор, между истоком третьего (8) входного полевого транзистора и истоком первого (2) входного полевого транзистора включен второй (14) дополнительный резистор, между истоком четвертого (11) входного полевого транзистора и истоком второго (4) входного полевого транзистора включен третий (15) дополнительный резистор, причем исток первого (2) входного полевого транзистора соединен с затвором четвертого (11) входного полевого транзистора, а исток второго (4) входного полевого транзистора соединен с затвором третьего (8) входного полевого транзистора.1. A differential cascade on complementary field-effect transistors, comprising a first (1) input connected to a gate of a first (2) input field-effect transistor, a second (3) input connected to a gate of a second (4) input field-effect transistor, a first (5) current output connected to the drain of the first (2) input field-effect transistor and matched to the first (6) power supply bus, a second (7) current output connected to the drain of the second (4) input field-effect transistor and matched to the first (6) power supply bus, third (8) input field a transistor whose drain is connected to a third (9) current output and matched to a second (10) power supply bus, a fourth (11) input field-effect transistor whose drain is connected to a fourth (12) current output and matched to a second (10) source bus power supply, and the channels of the first (2) and second (4) input field effect transistors have the first type of conductivity, and the channels of the third (8) and fourth (11) input field effect transistors have a different type of conductivity, characterized in that between the sources of the third (8) and fourth (11) input field transi of tori, the first (13) additional resistor is connected, between the source of the third (8) input field-effect transistor and the source of the first (2) input field-effect transistor, the second (14) additional resistor is connected, between the source of the fourth (11) input field-effect transistor and the source of the second (4) the input field-effect transistor includes a third (15) additional resistor, the source of the first (2) input field-effect transistor connected to the gate of the fourth (11) input field-effect transistor, and the source of the second (4) input field-effect transistor connected to the gate third (8) input field effect transistor. 2. Дифференциальный каскад на комплементарных полевых транзисторах по п.1, отличающийся тем, что между затворами третьего (8) и четвертого (11) входных полевых транзисторов включен четвертый (20) дополнительный резистор.2. The differential cascade on complementary field-effect transistors according to claim 1, characterized in that a fourth (20) additional resistor is connected between the gates of the third (8) and fourth (11) input field-effect transistors.
RU2018126846A 2018-07-23 2018-07-23 Differential cascade on complementary field-effect transistors RU2684473C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018126846A RU2684473C1 (en) 2018-07-23 2018-07-23 Differential cascade on complementary field-effect transistors

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018126846A RU2684473C1 (en) 2018-07-23 2018-07-23 Differential cascade on complementary field-effect transistors

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2684473C1 true RU2684473C1 (en) 2019-04-09

Family

ID=66089858

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018126846A RU2684473C1 (en) 2018-07-23 2018-07-23 Differential cascade on complementary field-effect transistors

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2684473C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2741056C1 (en) * 2020-09-01 2021-01-22 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Донской государственный технический университет» (ДГТУ) Radiation-resistant and low-temperature operational amplifier on complementary field-effect transistors

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5291149A (en) * 1992-03-30 1994-03-01 Murata Manufacturing Co., Ltd. Operational amplifier
US20060125522A1 (en) * 2004-11-25 2006-06-15 Erwin Krug Output stage, amplifier control loop and use of the output stage
RU2364020C1 (en) * 2007-11-30 2009-08-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") Differential amplifier with negative in-phase signal feedback
RU2393627C1 (en) * 2009-02-18 2010-06-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") Broadband operational amplifier with differential output

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5291149A (en) * 1992-03-30 1994-03-01 Murata Manufacturing Co., Ltd. Operational amplifier
US20060125522A1 (en) * 2004-11-25 2006-06-15 Erwin Krug Output stage, amplifier control loop and use of the output stage
RU2364020C1 (en) * 2007-11-30 2009-08-10 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") Differential amplifier with negative in-phase signal feedback
RU2393627C1 (en) * 2009-02-18 2010-06-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО "ЮРГУЭС") Broadband operational amplifier with differential output

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2741056C1 (en) * 2020-09-01 2021-01-22 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Донской государственный технический университет» (ДГТУ) Radiation-resistant and low-temperature operational amplifier on complementary field-effect transistors

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2688225C1 (en) Differential amplifier on complementary field-effect transistors with control p-n junction
RU2710296C1 (en) Differential cascade on complementary jfet field-effect transistors with high attenuation of input in-phase signal
RU2624565C1 (en) Instrument amplifier for work at low temperatures
RU2566963C1 (en) Differential input stage of high-speed operational amplifier for cmos technological processes
RU2710917C1 (en) Analogue microcircuit output cascade on complementary field-effect transistors with control p-n junction
RU2710847C1 (en) Differential cascade of ab class on complementary field transistors with control p-n junction for operation in low temperature conditions
RU2712414C1 (en) Differential cascade on complementary field-effect transistors with control p-n junction of class ab with variable voltage of restriction of pass characteristic
RU2684489C1 (en) Buffer amplifier on complementary field-effect transistors with control p-n junction for operation at low temperatures
RU2684473C1 (en) Differential cascade on complementary field-effect transistors
RU2677401C1 (en) Bipolar-field buffer amplifier
RU2712416C1 (en) Input differential cascade on complementary field-effect transistors for operation at low temperatures
RU2736412C1 (en) Differential amplifier based on complementary field-effect transistors with control p-n junction
RU2346388C1 (en) Differential amplifier
RU2679970C1 (en) Differential amplifier on complimentary field transistors with controlled voltage limitations of passage characteristics
RU2710846C1 (en) Composite transistor based on complementary field-effect transistors with control p-n junction
RU2740306C1 (en) Differential cascade of ab class with nonlinear parallel channel
RU2710298C1 (en) Non-inverting amplifier with current output for operation at low temperatures
RU2568384C1 (en) Precision operational amplifier based on radiation resistant bipolar and field process
RU2746888C1 (en) Differential stage on complete field transistors with increased temperature stability of the static mode
RU2670777C1 (en) Bipolar-field buffer amplifier for operating at low temperatures
RU2319288C1 (en) Differential amplifier using low-voltage power supply
RU2710930C1 (en) Differential amplifier on complementary field-effect transistors with high stability of static mode
RU2724975C1 (en) Differential input voltage converter with paraphase current outputs based on complementary field transistors with control p-n junction
RU2739213C1 (en) Broadband voltage-to-current converter on field-effect transistors with control p-n junction
RU2621286C1 (en) Differential operational amplifier for operating at low temperatures